DE102016217173A1 - Segment sheet metal for a laminated stator core, stator laminated core, as well as generator and wind energy plant with same - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Segmentblech (11) für ein Statorblechpaket (10) eines Generators (1) einer Windenergieanlage (100), mit einem Grundblech (13), welches die Form eines Ringsegments aufweist, wobei das Segmentblech (11) einen ersten radialen Abschnitt (15) aufweist, in welchem Aussparungen (21) zur Aufnahme einer Statorwicklung vorgesehen sind, sowie radial benachbart zu dem ersten radialen Abschnitt (15) einen zweiten radialen Abschnitt (17) aufweist, der ein Segment eines magnetischen Jochs des Generators (1) bildet. Insbesondere weist das Segmentblech (11) benachbart zu dem zweiten radialen Abschnitt (17) einen dritten radialen Abschnitt (19) auf, der ein Segment einer Stator-Tragstruktur des Generators (1) bildet, und der insbedondere dazu eingerichtet ist, im Verbund mit den dritten radialen Abschnitten weiterer Segmentbleche die Stator-Tragstruktur des Generators zu bilden. Ferner betrifft die Erfindung ein Statorblechpaket (10), einen Generator (1) und eine Windenergieanlage (100), jeweils mit solchen Segmentblechen (11).The invention relates to a segment panel (11) for a laminated stator core (10) of a generator (1) of a wind energy plant (100), having a base plate (13) which has the shape of a ring segment, wherein the segment panel (11) has a first radial section (11). 15), in which recesses (21) are provided for receiving a stator winding, and radially adjacent to the first radial portion (15) has a second radial portion (17) which forms a segment of a magnetic yoke of the generator (1). In particular, the segmental sheet (11) adjacent to the second radial portion (17) has a third radial portion (19) forming a segment of a stator support structure of the generator (1), and is particularly adapted to be joined to the third radial sections of further segment plates to form the stator support structure of the generator. Furthermore, the invention relates to a laminated stator core (10), a generator (1) and a wind turbine (100), each with such segmental plates (11).
Description
Die Erfindung betrifft ein Segmentblech für ein Statorblechpaket eines Generators einer Windenergieanlage, mit einem Grundblech, welches die Form eines Ringsegments aufweist, wobei das Segmentblech einen ersten radialen Abschnitt aufweist, in welchem Aussparungen zur Aufnahme einer Statorwicklung vorgesehen sind, sowie radial benachbart zu dem ersten radialen Abschnitt einen zweiten radialen Abschnitt aufweist, der ein Segment eines magnetischen Jochs des Generators bildet. Die Erfindung betrifft ferner ein Statorblechpaket einen Generator einer Windenergieanlage, sowie einen Generator einer Windenergieanlage und eine Windenergieanlage. The invention relates to a segment plate for a stator lamination stack of a generator of a wind energy plant, with a base plate, which has the shape of a ring segment, wherein the segment plate has a first radial portion, are provided in which recesses for receiving a stator winding, and radially adjacent to the first radial Section has a second radial portion which forms a segment of a magnetic yoke of the generator. The invention further relates to a laminated stator core a generator of a wind turbine, and a generator of a wind turbine and a wind turbine.
Windenergieanlagen sind allgemein bekannt. Sie werden genutzt, um Windenergie mittels eines elektrischen Generators in elektrische Energie zu wandeln. Kernelement für diese Aufgabe ist in Windenergieanlagen der Generator. Der Generator weist einen Generatorstator und einen relativ dazu umlaufenden Generatorrotor auf, auch als „Läufer“ bezeichnet. Die Erfindung betrifft sowohl Windenergieanlagen und Generatoren mit Innenläufern, als auch Außenläufern, worunter verstanden wird, dass bei einem Innenläufer der Generatorrotor innen in einem ringförmigen Stator umläuft, während bei einem Außenläufer der Generatorrotor außen um den Stator umläuft. Wind turbines are well known. They are used to convert wind energy into electrical energy by means of an electric generator. Core element for this task is in wind turbines generator. The generator has a generator stator and a generator rotor rotating relative thereto, also referred to as a "rotor". The invention relates to both wind turbines and generators with internal rotors, as well as external rotors, by which it is understood that in an internal rotor rotates the generator rotor inside in an annular stator, while in an external rotor of the generator rotor rotates around the outside of the stator.
Der Generatorstator weist eine Statorwicklung auf, in der mittels des umlaufenden Generatorrotors eine elektrische Spannung induziert wird. Die Statorwicklung ist in Nuten aufgenommen, die wiederum im Stator, etwa in einem Statorring, vorgesehen sind.The generator stator has a stator winding in which an electrical voltage is induced by means of the rotating generator rotor. The stator winding is received in grooves, which in turn are provided in the stator, for example in a stator ring.
Es ist allgemein bekannt, das Bauteil, welches die Statorwicklung aufnimmt, aus einem oder mehreren Statorblechpaketen auszubilden. Jene Statorblechpakete werden durch Segmentbleche gebildet, die zu Ringen aneinandergelegt und zum Bilden der Blechpakete aufeinander gestapelt werden. It is generally known to form the component which accommodates the stator winding from one or more stator lamination packages. Those stator lamination packages are formed by segmental laminations which are stacked together to form rings and stacked to form laminations.
Die mechanische Instabilität der einzelnen Bleche konnte hierbei im Stand der Technik nur teilweise dadurch kompensiert werden, dass die Bleche zu Paketen gestapelt und miteinander verbunden wurden. Am Stator musste bislang zum Stützen der Statorblechpakete stets eine Stützkonstruktion vorgesehen werden, in der Regel als Schweiß- oder Gussbaugruppe, die die Statorblechpakete versteift.The mechanical instability of the individual sheets in this case could only be partially compensated in the prior art by stacking the sheets into packages and connecting them to one another. Up until now, a support structure had to be provided on the stator to support the stator lamination packages, usually as a welded or cast assembly that stiffened the stator lamination stacks.
Dieser Umstand bedingt eine gewisse Fertigungstiefe auf Seiten des Windenergieanlagenherstellers, sowie einen vergleichsweise hohen Kosten- und Fertigungsaufwand. Dies wurde als verbesserungswürdig angesehen.This circumstance requires a certain vertical integration on the part of the wind turbine manufacturer, as well as a relatively high cost and production costs. This was considered to be in need of improvement.
Der Erfindung lag folglich die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik vorgefundenen Nachteile möglichst weitgehend zu überwinden. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu finden, den Herstellungs- und Kostenaufwand für Windenergieanlagen zu senken, ohne die mechanische Integrität des Generatorstators der Windenergieanlage zu kompromittieren. The invention was therefore based on the object as far as possible to overcome the disadvantages found in the prior art. In particular, the invention has the object to find a way to reduce the manufacturing and cost of wind turbines without compromising the mechanical integrity of the generator stator of the wind turbine.
Die Erfindung löst die ihr zugrunde liegende Aufgabe, indem sie ein Segmentblech mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorschlägt. Insbesondere schlägt die Erfindung vor, dass das Segmentblech benachbart zu dem zweiten radialen Abschnitt einen dritten radialen Abschnitt aufweist, der ein Segment einer Stator-Tragstruktur des Generators bildet. Insbesondere ist der dritte radiale Abschnitt also dazu eingerichtet, im Verbund mit den dritten radialen Abschnitten weiterer Segmentbleche die Stator-Tragstruktur des Generators zu bilden. Die Erfindung folgt hierbei dem Ansatz, eine zusätzliche, externe Konstruktion dadurch entbehrlich zu machen, dass die Statorblechpakete, die aus den Segmentblechen gebildet werden, selbsttragend sind, also keine externen Anbauteile zum Sicherstellen der mechanischen Integrität erfordern. Zu diesem Zweck wird das Segmentblech benachbart zu dem Bereich, der das magnetische Joch ausbilden soll, radial erweitert und weist eine Tragstruktur auf, die die Stabilität eines aus ihren Segmentblechen gebildeten Blechrings erhöht. The invention solves the underlying task by proposing a segment sheet with the features of
Das Segmentblech der vorliegenden Erfindung wird hinsichtlich der Stator-Tragstruktur vorteilhaft weitergebildet, indem in dem dritten radialen Abschnitt mehrere Versteifungsstreben ausgebildet sind, wobei die Versteifungsstreben zur Aufnahme von Druck-, Zug- und Schubkräften ausgebildet sind.The segment sheet of the present invention is advantageously further developed in terms of the stator support structure by a plurality of stiffening struts are formed in the third radial portion, wherein the stiffening struts are adapted to receive pressure, tensile and shear forces.
Weiter vorzugsweise sind in dem dritten radialen Abschnitt mehrere Durchgangsöffnungen ausgebildet, die zur Durchführung von korrespondierenden Verspannelementen angepasst sind. Die Durchgangsöffnungen sind vorzugsweise entlang von zwei oder mehr voneinander beabstandeten Kreisbogenlinien angeordnet, wobei die Kreisbogenlinien vorzugsweise konzentrisch ausgebildet sind. Besonders bevorzugt sind in einer Ausführungsform mit einer ersten Kreisbogenlinie und einer zweiten Kreisbogenlinie, die Durchgangsöffnungen auf einer ersten Kreisbogenlinie in Umfangsrichtung zu den Durchgangsöffnungen auf einer zweiten Kreisbogenlinie versetzt angeordnet. Weiter vorzugsweise sind die Durchgangsöffnungen auf ihren jeweiligen Kreisbogenlinien zueinander äquidistant angeordnet. Diese Anordnung hat folgenden Vorteil: Die Segmentbleche können überlappend aufeinandergestapelt werden, so dass die „Nahtstellen“ zwischen den aneinander in einer Ringebenen angrenzenden Segmentblechen zueinander versetzt werden. Zugleich ermöglicht die äquidistante, insbesondere zwei- oder mehrreihige Anordnung der Durchgangsöffnungen eine axiale Verspannung der überlappenden Segmentbleche. Die hierdurch erzeugte Reibhaftung zwischen den Blechen erhöht die Tragfähigkeit der Statorblechpakete signifikant und trägt zu einem besseren Dämpfungsverhalten akustischer Schwingungen bei, die im Betrieb der Windenergieanlage emittiert werden.Further preferably, a plurality of passage openings are formed in the third radial section, which are adapted for the passage of corresponding Verspannelementen. The passage openings are preferably arranged along two or more spaced-apart circular arc lines, wherein the circular arc lines are preferably formed concentrically. Particularly preferably, in an embodiment with a first circular arc line and a second circular arc line, the passage openings are arranged offset on a first circular arc line in the circumferential direction to the passage openings on a second circular arc line. Further preferably, the passage openings are arranged equidistantly on their respective circular arc lines to each other. This arrangement has the following advantage: The segmented sheets can be stacked on top of one another in an overlapping manner be so that the "seams" between the mutually adjacent in a ring planes segment plates are offset from each other. At the same time, the equidistant, in particular two- or multi-row, arrangement of the passage openings enables axial clamping of the overlapping segmental plates. The resulting friction between the sheets significantly increases the bearing capacity of the laminated stator core and contributes to a better damping behavior of acoustic oscillations that are emitted during operation of the wind turbine.
Die Verspannelemente sind dazu eingerichtete, aufeinandergestapelte Segmentbleche fest miteinander zu verbinden. Vorzugsweise sind die Verspannelemente in Form von Gewindestangen, Schrauben, Spannseilen oder dergleichen ausgebildet. Vorzugsweise werden bei der Verspannung endseitig an den Verspannelementen Druckverteilerelemente angeordnet, die dazu eingerichtet sind, die Spannkräfte auf eine möglichst große Oberfläche der Segmentbleche zu verteilen. Die Druckverteilerelemente sind beispielsweise als Scheiben, Ringe, Ringsegmente, Hülsen oder dergleichen ausgebildet. Weiter vorzugsweise sind in dem dritten radialen Abschnitt mehrere Materialschwächungen oder -aussparungen zwischen den Versteifungsstreben angeordnet. Die Materialschwächungen bzw. -ausnehmungen haben vorzugsweise den Effekt der Gewichtsreduktion. The bracing elements are set up to interconnect stacked segmented sheets firmly together. Preferably, the bracing elements in the form of threaded rods, screws, tension cables or the like are formed. Preferably, in the bracing, pressure distribution elements are arranged at the ends on the bracing elements, which are set up to distribute the clamping forces over as large a surface as possible of the segmented sheets. The pressure distribution elements are designed, for example, as discs, rings, ring segments, sleeves or the like. Further preferably, a plurality of material weakenings or recesses are arranged between the stiffening struts in the third radial section. The material weakenings or recesses preferably have the effect of weight reduction.
Besonders bevorzugt sind die Versteifungsstreben in dem dritten radialen Abschnitt aus der gleichen Materialstärke ausgebildet, wie das Grundblech in dem ersten und/oder zweiten radialen Abschnitt. Die Struktur der Versteifungsstreben wird vorzugsweise mittels, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Prägen oder – besonders bevorzugt – Stanzen erhalten. Particularly preferably, the stiffening struts are formed in the third radial portion of the same material thickness, as the base plate in the first and / or second radial portion. The structure of the stiffening struts is preferably obtained by means of laser cutting, water jet cutting, embossing or-particularly preferably-punching.
Besonders bevorzugt sind die Aussparungen im ersten radialen Abschnitt, die Durchgangsöffnungen und die Versteifungsstreben im dritten radialen Abschnitt jeweils mittels Stanzen des Grundblechs ausgebildet, wobei im Fall der Versteifungsstreben Materialbereiche benachbart zu den auszubildenden Streben ausgestanzt oder geprägt werden.Particularly preferably, the recesses in the first radial section, the through openings and the stiffening struts are formed in the third radial section respectively by punching the base plate, wherein in the case of stiffening struts material regions are punched or stamped adjacent to the struts to be formed.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Segmentbleches weisen die Versteifungsstreben mehrere erste Streben auf, die nichtradial ausgerichtet sind. Unter nichtradial wird hierbei verstanden, dass das Segmentblech um eine Mittenachse herum gekrümmt ist, und die ersten Streben jeweils mit einer durch die Mittenachse laufenden Radialen einen Winkel von > 0 Grad aufspannen. Vorzugsweise sind die ersten Streben jeweils mit alternierenden Winkeln nicht radial ausgerichtet und bilden eine fachwerkartige Struktur aus. In a preferred embodiment of the segment plate, the stiffening struts have a plurality of first struts, which are non-radially aligned. By non-radial is meant here that the segment sheet is curved around a central axis, and the first struts each span an angle of> 0 degrees with a radial axis passing through the center axis. Preferably, the first struts are each not radially aligned at alternating angles and form a truss-like structure.
Weiter vorzugsweise weisen die Versteifungsstreben mehrere zweite Streben auf, die radial ausgerichtet sind. Die radiale Ausrichtung wird hierbei bezogen auf die Mittenachse des Segmentblechs verstanden.Further preferably, the stiffening struts on a plurality of second struts, which are radially aligned. The radial orientation is understood here with reference to the center axis of the segment plate.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind jeweils benachbarte erste Streben zueinander winklig ausgerichtet, und die Durchgangsöffnungen liegen jeweils im Schnittpunkt der Erstreckungsrichtung von jeweils zwei benachbarten ersten Streben. Mit anderen Worten liegen die Durchgangsöffnungen im Winkelursprung des Winkels zwischen benachbarten ersten Streben.In a particularly preferred embodiment, each adjacent first struts are aligned at an angle to each other, and the passage openings are each at the intersection of the extension direction of each two adjacent first struts. In other words, the passage openings are in the angular origin of the angle between adjacent first struts.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die zweiten Streben in Richtung der Mittenachse bzw. in Richtung der radial inneren Seite des Segmentblechs verjüngt ausgebildet.In a further preferred embodiment, the second struts are tapered in the direction of the center axis or in the direction of the radially inner side of the segment plate.
Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Streben derart ausgebildet, dass zumindest einige der ersten und zweiten Streben ineinander münden oder einander durchkreuzen. Auf diese Weise wird eine geflechtartige Tragstruktur realisiert, die geringes Gewicht mit hoher mechanischer Belastbarkeit verbindet.Preferably, the first and second struts are formed such that at least some of the first and second struts open into each other or intersect each other. In this way, a mesh-like support structure is realized, which combines low weight with high mechanical strength.
Insbesondere in denjenigen Ausführungsformen, in denen zwischen den Streben Ausnehmungen ausgebildet sind, wirken die Streben zugleich als Kühlrippen, und die Ausnehmungen als Kühlkanäle. Hierdurch wird eine verbesserte Wärmeabfuhr aus den die Statorwicklung aufnehmenden Nuten in Richtung des Maschinenträgers erzielt,In particular, in those embodiments in which recesses are formed between the struts, the struts also act as cooling fins, and the recesses as cooling channels. As a result, an improved heat dissipation from the stator winding receiving grooves is achieved in the direction of the machine frame,
Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf das Segmentblech erläutert. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung aber ebenso ein Statorblechpaket für einen Generator einer Windenergieanlage. Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem solchen Statorblechpaket, indem jenes mit den Merkmalen von Anspruch 10 ausgebildet ist. Die Erfindung schlägt vor, dass das Statorblechpaket eine Vielzahl von Segmentblechen aufweist, wobei mehrere Segmentbleche in einer Ebene so aneinander angeordnet sind, dass sie gemeinsam einen Blechring ausbilden, und mehrere Segmentbleche in den gebildeten Blechringen derart gestapelt sind, dass sie gemeinsam das Statorblechpaket ausbilden, wobei das Statorblechpaket einen ersten radialen Abschnitt aufweist, in welchem eine Vielzahl Nuten zur Aufnahme einer Statorwicklung vorgesehen sind, wobei die Nuten durch in den Segmentblechen vorgesehene Aussparungen gebildet sind, sowie benachbart zu dem ersten radialen Abschnitt einen zweiten radialen Abschnitt aufweisen, der ein magnetisches Joch des Generators bildet. Benachbart zu dem zweiten radialen Abschnitt weist das Statorblechpaket einen dritten radialen Abschnitt auf, der eine Statortragstruktur des Generators bildet. The invention has been explained above with reference to the segment sheet. In a further aspect, however, the invention also relates to a laminated stator core for a generator of a wind energy plant. The invention solves the underlying task in such a laminated stator core, by that with the features of
Die Erfindung wird dadurch weiter gebildet, dass die Segmentbleche nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet sind.The invention is further formed in that the segment plates are formed according to one of the preferred embodiments described above.
Nachdem vorstehend die Erfindung unter weiterer Bezugnahme auf das Statorblechpaket beschrieben wurde, wird nachfolgend auf einen erfindungsgemäßen Generator eingegangen.After the invention has been described above with further reference to the laminated stator core, a generator according to the invention will be discussed below.
Der Generator gemäß der vorliegenden Erfindung löst die eingangs bezeichnete zugrundeliegende Aufgabe, indem er nach den Merkmalen von Anspruch 12 ausgebildet ist. The generator according to the present invention solves the above-described basic task by being designed according to the features of
Die Erfindung schlägt somit einen Generator einer Windenergieanlage vor, insbesondere einen langsam drehenden Synchron-Regenerator, der einen Generatorstator, einen relativ zu dem Generatorstator drehbar gelagerten Generatorrotor, und einen Maschinenträger zum Befestigen des Generatorstators an der Windenergieanlage aufweist, wobei der Generatorstator wenigstens ein Statorblechpaket aufweist, in welchem eine Vielzahl von Nuten vorgesehen sind, in denen die Statorwicklung aufgenommen ist. Der Generatorstator weist wenigstens ein Statorblechpaket auf, das nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet ist und entsprechend erfindungsgemäße Segmentbleche enthält. Unter einem langsam drehenden Generator wird im Sinne der Erfindung ein Generator mit einer Nenndrehzahl von 50 Umdrehungen pro Minute oder weniger verstanden. The invention thus proposes a generator of a wind energy plant, in particular a slowly rotating synchronous regenerator having a generator stator, a generator rotor rotatably mounted relative to the generator stator, and a machine carrier for mounting the generator stator to the wind turbine, wherein the generator stator has at least one stator lamination in which a plurality of grooves are provided, in which the stator winding is accommodated. The generator stator has at least one laminated stator core, which is designed according to one of the preferred embodiments described above and accordingly contains segmented metal sheets according to the invention. For the purposes of the invention, a slowly rotating generator is understood to mean a generator having a rated speed of 50 revolutions per minute or less.
Schließlich betrifft die Erfindung in einem weiteren Aspekt eine Windenergieanlage, insbesondere eine getriebelose Windenergieanlage, mit einem Turm, einer auf dem Turm drehbar angeordneten Gondel, einem an der Gondel angeordneten Maschinenträger, einer drehbar an der Gondel gelagerten Nabe mit einer Anzahl von Rotorblättern, insbesondere drei Rotorblättern, und einem Generator zur Bereitstellung elektrischer Energie, der einen mit der Nabe verbundenen Generatorrotor und einen mit dem Maschinenträger verbundenen Generatorstator aufweist. Finally, in a further aspect, the invention relates to a wind turbine, in particular a gearless wind turbine, comprising a tower, a nacelle rotatably mounted on the tower, a machine support arranged on the nacelle, a hub rotatably mounted on the nacelle with a number of rotor blades, in particular three Rotor blades, and an electric power generator having a generator rotor connected to the hub and a generator stator connected to the machine frame.
Die erfindungsgemäße Windenergieanlage löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe, indem der Generator nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet ist. The wind turbine according to the invention solves the underlying task by the generator is designed according to one of the preferred embodiments described above.
Der Generator ist vorzugsweise alternativ als Innenläufer oder Außenläufergenerator ausgebildet. Ist der Generator ein Innenläufergenerator, stellt der erste radiale Abschnitt des Statorblechpaktes bzw. des Segmentblechs den radial inneren Ringbereich dar, während der dritte radiale Abschnitt den radial äußeren Ringbereich darstellt. Bei einem Außenläufergenerator verhält es sich genau andersherum.The generator is preferably designed as an alternative internal rotor or external rotor generator. If the generator is an internal rotor generator, the first radial section of the stator lamination pact or of the segmented sheet represents the radially inner ring area, while the third radial section represents the radially outer ring area. An external rotor generator is exactly the other way round.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Hierbei zeigen: The invention will be described in more detail below with reference to the attached figures with reference to a preferred embodiment. Hereby show:
Die Gondel
Der Generator
Der Generator
Der Generatorrotor
Die Stützringe
Der Statorring
Der Aufbau eines Segmentblechs gemäß der Erfindung ist in
Das in
Benachbart zu dem ersten radialen Abschnitt
Das magnetische Joch wird auch als magnetischer Rücken bezeichnet. Benachbart zu dem zweiten radialen Abschnitt
In dem dritten radialen Abschnitt
Die zweiten Streben
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Streben
Die Durchgangsöffnungen
Während die in den
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